基于特征的渦輪葉片精鑄模具加工工藝規(guī)程設(shè)計(jì)方法

1、工藝#裝備5電加工與模具62010年第2期基于特征的渦輪葉片精鑄模具加工工藝規(guī)程設(shè)計(jì)方法賈麗萍,汪文虎,周 桐,楊俊臣,李興海(西北工業(yè)大學(xué),陜西西安710072)摘要:在分析渦輪葉片精鑄模具結(jié)構(gòu)特征和制造工藝的基礎(chǔ)上,結(jié)合精鑄模具加工工藝規(guī)程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),利用知識(shí)工程技術(shù),開展了精鑄模具加工工藝規(guī)程智能設(shè)計(jì)方法研究。主要內(nèi)容包括零件特征信息模型建立、工藝知識(shí)庫構(gòu)建及基于特征的產(chǎn)生式規(guī)則推理機(jī)制研究。通過系統(tǒng)開發(fā),最終實(shí)現(xiàn)了渦輪葉片精鑄模具加工工藝規(guī)程的智能生成。關(guān)鍵詞:精鑄模具;工藝規(guī)程設(shè)計(jì);信息模型;特征中圖分類號(hào):TG76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1009-279X(2010)02-006

2、3-04Feature2BasedDesignMethodofProcessSpecificationofTurboBladeDieJiaLiping,WangWenhu,ZhouTong,YangJunchen,LiXinghai(NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi.an710072,China)Abstract:Basedonthestructurefeatureandmanufactureprocessanalysisofinvestmentcastingdieforturbineblade,theintelligentdesignmethodf

3、ormanufactureprocessingwasstudiedinthispaperinuseofknowledgeengineering.Themainresearchfocusonthreeaspectslistasfollowing:Thepartin2formationmodeling,processknowledgelibrarydevelopmentandfeature2basedrulingmethod,andanintelligentprocessdesignsystemforinvestmentcastingdiewasdevelopedatlast.Keywords:i

4、nvestmentcastingdie;designofprocessspecification;informationmodel;feature復(fù)雜空心渦輪葉片是高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件,被航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)譽(yù)為/皇冠上的明珠0,其制造工藝更是航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造中的核心技術(shù)。渦輪葉片精鑄凈成形模具作為空心渦輪葉片生產(chǎn)中最重要的工裝,具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜,設(shè)計(jì)周期長、制造難度大等特點(diǎn)。目前,空心渦輪葉片精鑄凈成形模具制造定型已成為制約我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)發(fā)展的/瓶頸0之一121在搜集和計(jì)算數(shù)據(jù)及準(zhǔn)備文檔資料。因此,為了縮短精鑄模具制造周期,降低精鑄模具制造工藝人員勞動(dòng)強(qiáng)度和模具制造成本,減少人為出錯(cuò)率,本文

5、提出了基于特征的精鑄模具加工工藝規(guī)程設(shè)計(jì)方法,并系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了精鑄模具加工工藝規(guī)程設(shè)計(jì)結(jié)果的自動(dòng)生成。實(shí)踐證明,此方法具有一定的理論價(jià)值和實(shí)踐意義。3。調(diào)研發(fā)現(xiàn),針對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的渦輪葉片精鑄模具加工工藝規(guī)程設(shè)計(jì)流程,目前通用CAPP系統(tǒng)還無法達(dá)到高質(zhì)高效的應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì),傳統(tǒng)的工藝人員只有15%的時(shí)間用于技術(shù)決策,而剩下的時(shí)間都用收稿日期:2009-11-03基金項(xiàng)目:國家863高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2006AA04Z144);/十一五0國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2006BAF04B02)第一作者簡(jiǎn)介:賈麗萍,女,1985年生,碩士研究生。1 加工工藝規(guī)程設(shè)計(jì)總體技術(shù)方案1.1 加工工藝規(guī)程設(shè)計(jì)

6、內(nèi)容在生產(chǎn)過程中,工藝是連接設(shè)計(jì)和制造的橋梁,是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品信息集成與管理的關(guān)鍵。渦輪葉片精鑄模具(以下簡(jiǎn)稱精鑄模具)的結(jié)構(gòu)和模具活塊零件的形狀較復(fù)雜,其制造工藝規(guī)程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容見表1。45電加工與模具62010年第2期工藝#裝備表1 工藝規(guī)程設(shè)計(jì)內(nèi)容序號(hào)1234名稱工藝分析確定毛坯工藝路線設(shè)計(jì)工序詳細(xì)設(shè)計(jì)內(nèi) 容分析模具活塊零件的結(jié)構(gòu)、形狀、技術(shù)要求和材料,特別是零件型面、重要技術(shù)要求的保證方法等,掌握制造過程中的關(guān)鍵工藝。根據(jù)圖紙規(guī)定和工藝要求,確定毛坯制造方法,并提出技術(shù)要求¹選擇各表面的最后加工方法及該方法的準(zhǔn)確工序;º依據(jù)過程的階段和工序分散等原則進(jìn)行工序組合;

7、87;設(shè)計(jì)工藝基準(zhǔn)系統(tǒng),確定工序順序安排;¼確定熱處理工序;½安排輔助工序。¹選擇加工設(shè)備;º安排工步內(nèi)容及其順序;»確定加工余量;¼計(jì)算尺寸及其偏差;½填寫工藝卡片。1.2 基于特征的加工工藝規(guī)程的實(shí)現(xiàn)由本文所設(shè)計(jì)的方法生成的精鑄模具加工工藝規(guī)程,作為引導(dǎo)和輔助后續(xù)工藝設(shè)計(jì)師進(jìn)行工藝規(guī)程詳細(xì)設(shè)計(jì)的依據(jù),其總體技術(shù)路線圖見圖1。工藝規(guī)程設(shè)計(jì)所需的領(lǐng)域知識(shí)由知識(shí)工程師向領(lǐng)域?qū)＜姨崛〔R總,通過知識(shí)獲取系統(tǒng)輸入知識(shí)庫;推理系統(tǒng)應(yīng)用一定的控制策略根據(jù)輸入的零件信息進(jìn)行推理運(yùn)用,輸出用戶可交互修改的工藝規(guī)程結(jié)果。據(jù)5,包括零件的總體

8、信息和零件各待加工表面的幾何信息和工藝信息。根據(jù)工藝人員的習(xí)慣,本文采用了基于零件特征的方位元素描述法來建立零件的信息模型?；诹慵卣鞯姆轿辉孛枋龇ㄊ菑囊韵聝蓚€(gè)方面來描述零件的,一是明確各組成表面間相互位置關(guān)系與連接次序的拓?fù)湫畔?二是描述零件各組成表面本身的形狀特征和精度特征。精鑄模具活塊零件特征可分為管理、形狀、精度、材料熱處理和技術(shù)5類特征。為了處理信息的簡(jiǎn)便,將零件的管理特征、技術(shù)特征、材料特征一起組成零件的總體特征。由于精度特征對(duì)形狀特征的依附關(guān)系,精度特征將隨著它所作用的形狀特征來一同描述零件信息。因此可知精鑄模具活塊零件信息包含3個(gè)方面的信息:總體信息、幾何信息、精度信息。精

9、鑄模具活塊零件信息樹結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖1 技術(shù)路線圖基于上述工作流程和分級(jí)規(guī)劃的思想,可將精鑄模具加工工藝規(guī)程設(shè)計(jì)系統(tǒng)劃分為零件信息輸入模塊、工藝知識(shí)存貯模塊、工藝規(guī)程設(shè)計(jì)模塊。將工藝規(guī)程設(shè)計(jì)內(nèi)容分解為工藝路線決策、加工方案選擇、制造資源選擇、工藝尺寸確定和工藝文件輸出5個(gè)子模塊任務(wù),其中零件信息輸入模塊是利用基于零件特征的方位元素描述法來實(shí)現(xiàn)零件信息的描述和輸入;工藝知識(shí)存貯模塊采用基于產(chǎn)生式規(guī)則的方法來對(duì)知識(shí)進(jìn)行表達(dá)和存貯;工藝規(guī)程設(shè)計(jì)模塊則對(duì)應(yīng)于知識(shí)表達(dá)方式,采用基于特征的產(chǎn)生式規(guī)則(IFXTHENY)推理方法實(shí)現(xiàn)工藝規(guī)程結(jié)果)工藝卡片的自動(dòng)生成。圖2 零件信息樹文中采用交互輸入方式將零

10、件信息存貯到零件信息庫中,并采用對(duì)象及類的概念來實(shí)現(xiàn)對(duì)精鑄模具活塊零件信息的計(jì)算機(jī)語言描述。在程序中定義了相應(yīng)的零件類和特征類,分別對(duì)零件及其所包含的特征進(jìn)行信息存儲(chǔ)及執(zhí)行其他操作。如對(duì)零件總體特征類用以下程序進(jìn)行描述:classCPartInfopublic:CStringp_codePP零件代號(hào)CStringp_namePP零件名稱CStringp_datePP生產(chǎn)日期2 關(guān)鍵技術(shù)研究2.1 零件信息建模技術(shù)零件信息是進(jìn)行工藝規(guī)程設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)源和依工藝#裝備CStringp_designerPP設(shè)計(jì)者,floatp_LMaxPP最大長度floatp_DMaxPP最大直徑floatp_UMch

11、amferPP未注倒角2.2 基于特征的推理技術(shù)零件特征加工方法鏈作為基于特征推理中最重要的概念之一,本文做出如下定義:根據(jù)零件各形狀特征之間的鄰接關(guān)系(主特征之間的關(guān)系)和從屬關(guān)系(主特征與輔特征之間或輔助特征之間的關(guān)系),做出零件形狀特征關(guān)系圖,并將其轉(zhuǎn)化為二叉樹65電加工與模具62010年第2期表2 平面加工方案適用范圍序號(hào)12,5678,精度等級(jí)(IT)11以下89,7977869,3.21.60.80.2,表面粗糙度RaPLm5012.56.33.2,6.31.6未淬硬平面工件材料加工方案粗車粗車)半精車,粗刨(粗銑)精刨(精銑)粗銑)半精銑)精銑粗刨)半精刨)精刨未淬硬平面,粗銑)

12、拉,未淬硬鋼,鑄鐵、有色金屬、鋼,調(diào)用知識(shí)庫中相關(guān)特征加工方法選擇規(guī)則,確定各形狀特征的加工方法鏈,并將其置于二叉樹中對(duì)應(yīng)特征節(jié)點(diǎn)之上,便形成了零件特征加工方法鏈。在推理技術(shù)上采用了基于特征的產(chǎn)生式規(guī)則推理,以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的正向推理方式為控制策略。其基本思想是:首先對(duì)零件所包含的特征對(duì)象循環(huán),依次推理出各自的加工方法鏈并存入加工鏈表;然后由零件的工藝排序推理函數(shù)對(duì)所有特征加工鏈表包含的加工方法推理,生成相應(yīng)的工序號(hào)連同相關(guān)特征參數(shù);最后存入工藝排序表,便生成了零件的工藝路線。在推理完成并自動(dòng)生成了加工方案、制造資源、工藝尺寸等工藝規(guī)程子任務(wù)后,經(jīng)過必要的編輯修改,便得到了零件的初步加工工藝規(guī)程結(jié)果

13、)工藝卡片。根據(jù)上述推理原理,以精鑄模具加工中特征/平面0的加工方案選擇為例,闡述基于特征的產(chǎn)生式規(guī)則推理方法。表2給出了精鑄模具加工平面加工方案的專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí),由此設(shè)計(jì)出如圖3和圖4所示的加工方案,選擇規(guī)則條件數(shù)據(jù)表和平面加工方案規(guī)則結(jié)論數(shù)據(jù)表。圖4 平面加工方案規(guī)則結(jié)論數(shù)據(jù)表加工方案選擇是為零件上各個(gè)待加工特征確定其加工方法鏈,它的實(shí)現(xiàn)是建立在特征加工鏈基礎(chǔ)上的。選擇各個(gè)待加工特征加工方法序列,就是以X1X5(表3)為已知條件,調(diào)用工藝規(guī)則庫中的相關(guān)規(guī)則,找到與該條件匹配的加工方法序列即可。制造資源包括機(jī)床、刀具、夾具、車間布局等一切與資源環(huán)境相關(guān)的因素,本文方法主要以機(jī)床選擇為例進(jìn)行說明

14、。機(jī)床的選擇受所加工零件的表面形狀、尺寸精度及生產(chǎn)類型等因素影響。制造資源選擇的流程與加工方案選擇的流程類似,也是以Y1Y5(表3)作為已知條件,調(diào)用工藝規(guī)則庫中的規(guī)則,找到與該條件匹配的機(jī)床設(shè)備即可。表3所示為工藝路線、加工方案及制造資源等工藝規(guī)程子任務(wù)的實(shí)施方案。工藝尺寸包括加工余量的選擇、工序間尺寸和公差的確定。加工余量的選擇因?yàn)槭芏嘁蛩氐闹萍s,目前的計(jì)算方法、統(tǒng)計(jì)法以及經(jīng)驗(yàn)估算法都存在圖3 加工方案規(guī)則條件數(shù)據(jù)表3 系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)例3.1 工藝規(guī)程方案實(shí)施許多難以解決的問題,所以本文知識(shí)庫中加工余量來源于查閱相關(guān)手冊(cè)獲得。對(duì)工序間尺寸的推理采用/由后向前0的算法。即先按零件圖紙的要求,推理

15、出最終工序的尺寸及公差,再按選定的加工余75電加工與模具62010年第2期工藝#裝備量推算出前一道工序的尺寸,公差則按本道工序加工方法的精度給出。表3 工藝規(guī)程實(shí)施方案工藝路線基于零件原始特征加工鏈基于操作的排序推理結(jié)論M先基于特征做初步?jīng)Q策,再基于操作做二次修正加工方案FX1,X2,X3,X4,X5NX1:加工特征 X2:零件材料 X3:尺寸精度 X4:表面粗糙度X5:尺寸特征制造資源FY1,Y2,Y3,Y4,Y5PY1:加工方案Y2:加工特征Y3:加工精度Y4:可控軸數(shù)Y5:最大尺寸推理?xiàng)l件備 注圖5 工藝卡片生成流程4 結(jié)束語本文提出了基于特征的渦輪葉片精鑄模具加工工藝規(guī)程設(shè)計(jì)方法,建立

16、了以特征和規(guī)則為基礎(chǔ)的精鑄模具零件加工工藝規(guī)程設(shè)計(jì)原型系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了精鑄模具加工工藝規(guī)程的自動(dòng)生成,為深入開發(fā)精鑄模具CAPP系統(tǒng)及全面實(shí)現(xiàn)信息化制造打下了良好的基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn):1 蔣睿嵩,張定華,汪文虎,等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片精鑄模具集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)J.鑄造,2008(4):363-366.2 汪文虎,張西濤,楊麗娜,等.渦輪葉片精鑄模具CAD系統(tǒng)實(shí)例庫的設(shè)計(jì)與研究J.西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2006(4):255-258.3 花廣如,周雄輝,阮雪榆.模具CAPP專家系統(tǒng)與加工過程仿真的模型研究J.計(jì)算機(jī)工程,2005(2):201-203.4 路春光,孟麗麗.基于工作流和集成化物料清單樹的CAPP系統(tǒng)

17、J.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2005(11):1593-1598.5 張明芝,吳明.基于數(shù)據(jù)庫技術(shù)的CAPP系統(tǒng)研究J.石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào),2005(3):77-79.6 肖偉躍.CAPP中工藝規(guī)程主干生成的約束匹配算法J.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào),2001(1):40-43.7 李淑娟,李言,袁啟龍,等.鑄件機(jī)械加工余量及尺寸公差快速確定方法的研究J.鑄造技術(shù),2005(1):10-13.精鑄模具中回轉(zhuǎn)體零件的毛坯是棒料;非回轉(zhuǎn)體零件的毛坯類型有鍛件和板料兩種類型。毛坯尺寸確定方案見表4。表4 毛坯尺寸確定方案零件類型毛坯類型毛 坯 尺 寸M(d,l)=Mc(d+10,l+10)M(a,b,h)=Mc(a+10,b+10,h+10)M(a,b,h)=Mc(a+2,b+2,h+2)回轉(zhuǎn)體零件棒料毛坯非回轉(zhuǎn)體零件鍛件毛坯板料毛坯其中:M代表待加工零件,Mc代表待加工件毛坯,d,l代表工件直徑和長度尺寸,a,b,h代表工件的三維尺寸。3.2 工藝規(guī)程結(jié)果輸出基于對(duì)工藝卡片結(jié)構(gòu)和功能的分析,工藝文件生成的具體步驟為:首先從卡片模板庫中提取相應(yīng)的卡片類型;其次從表頭信息庫中提取零件信息,并填充到卡片中;然后從工藝數(shù)據(jù)庫中提取工藝規(guī)程設(shè)計(jì)結(jié)果,并填充到卡片中;接著從腳注信息庫中提取腳注信息,并填充到卡片中;最后,對(duì)所生成的工藝卡片進(jìn)行校核與編輯,并保存結(jié)果或根據(jù)用戶需要將其